數字化實驗室特點 ——以物理實驗為例

• 來源： 原創 更新時間： 2017-11-08 點擊： 3215次

•    數字化實驗室一般由傳感器、數據采集器、計算機及相關數據處理軟件等構成的測量、采集、處理設備和與之配套的相應的實驗儀器裝備組成的實驗室。數字化實驗室是信息技術與傳統實驗課程整合的重要載體。基于傳感器的計算機實時數據采集和基于計算機數據處理軟件的計算機建模和圖象分析等技術是開展物理探究教學的兩大技術支撐，也是物理實驗面向現代化，提升實驗檔次，加速實現物理教學向國際接軌的一條途徑。  
   
    1．實驗過程“可視化”  
    實驗過程可視化包括實驗過程空間可視性和實驗過程時間可視性。這是學生學習物理過程分析，建立物理概念，理解物理規律的認知基礎，是學會處理物理問題的關鍵所在。  
    物理實驗中，空間上細微過程人眼難以觀察，一般借助于顯微鏡可以實現細致的觀察。時間上細微過程難以捕捉，難以記錄，是物理實驗的一個難點，瞬間變化的可視化尤其是難點。例如彈簧振子F-t、x-t關系，電容充、放電電流i-t關系，碰撞過程研究等等，這類實驗以往一般只能定性講述，或者用多媒體軟件進行模擬演示。  
    怎樣突破這個難點呢？傳統的實驗儀器由于人眼觀察與手工記錄的斷續性，確實難解決這個問題。數字化實驗通過與計算機連接的傳感器實時采集數據，記錄數據，實現了時間上細微過程的實驗過程數據自動記錄，相當于用傳感器和計算機代替人眼、手、紙和筆記錄數據，實現了數據記錄的時間連續性，實現了瞬間變化“可視化”。例如將傳感器技術引入超重、失重教學，就可以在很短的時間內清晰地記錄下壓力隨時間變化的圖像，具體再現超重、失重的過程，便于總結超重、失重現象的特點和條件，符合歸納法教學的要求。   
    2．實驗設計“重點化”  
    數字化實驗由傳感器和數據采集器代替人眼讀取數據，用計算機軟件取代紙筆方式手工記錄數據，計算機軟件代替人腦對數據進行簡單統計、處理和分析，使學生擺脫了繁瑣的計算過程，能夠直接把測量數據的變化過程通過“待測物理量──時間”圖象直接顯示出來，直觀地看出物理量之間的變化關系，使學生擺脫了手工作圖的繁瑣和作圖不準確而造成的實驗錯誤，從而讓學生能夠將更多的時間、心力用于實驗設計，用于探究和分析，用于驗證和修改假設，從而有利于更好地理解概念，掌握規律。   
     3．數據采集“智能化”  
    數據采集“智能化”的基礎是計算機信息技術的應用。   
    3．1 表現之一是“自動化”  
    系統設置了連續采樣、單點采樣、閾值觸發采樣等多種采集模式，軟件可以設置采集器的各種參數，實現數據采集的自動化。功能強大的數據采集器可以自動把整個實驗過程中物理量的變化通過高采樣率完整的記錄下來，存儲在數據文件中。并且由于數據采集器提供了反饋輸出，可以通過附加一些器材，通過回控使得整個實驗的操作過程也實現自動化。 
    系統連續采樣頻率可以按照實驗要求設置。最高采集頻率可達5000-10000Hz，采集的速度高的可到每秒一萬個數據，低的可到幾分鐘甚至幾小時一個數據，因而可以適應各種不同類型實驗的需要。   
    3．2 表現之二是“實時化”  
    由于采用計算機自動控制，系統能夠在很短的時間內采集和處理大量的數據，并利用計算機強大的數據處理和作圖功能，將數據反映成圖象，使實驗結果更加直觀。數字化實驗數據采集迅速，數據傳輸迅速，數據存儲迅速，數據處理迅速，數據顯示迅速，從而實現了數據變化過程與實驗過程同步，實現數據的實時采集和實時處理。   
    3．3 表現之三是“并行化”  
    數據采集器能同時接入四只相同的傳感器或四個不同的傳感器，能同時采集多個相同或不同種類的物理量，實現數據的同步并行采集。在彈簧振子的振動實驗中，常規講授法教學中，學生對物理規律感覺比較抽象，理解起來十分困難，學生很難同時觀察到回復力、加速度、速度和位移四個物理量在運動過程中的大小和方向。應用數字化系統的并行采集功能，實驗中分別利用力傳感器和位移傳感器并行實時采集數據，直觀顯示F-t，x-t動態圖象，有利于學生建立起簡諧運動完整的物理圖景，幫助學生獲得直接經驗，直接感知物理規律，取得其它教學手段難以收到的效果。   
    3．4 表現之四是“定量化”  
    定量研究是科學的特征。一些傳統實驗受到實驗條件、實驗技術的限制，難以量化。數字化實驗直接使許多物理定性實驗升級成定量實驗。  
    利用傳感器測量的各種物理量都要經過采集器進行處理后才能變為計算機能夠儲存和處理的數據。從數據的測量到采集再到處理，都是在系統內部完成，避免了傳統實驗儀器由于估讀時人為引進的各種測量誤差，使實驗結果更精確、可靠。  
    例如，電壓測量可以精確到0．01V，光電門計時可以精確到0．1ms。而且兩者的誤差都為1%以內，對于普通物理實驗來，這個精確度已是相當的高了。又例如壓強傳感器采用工業級壓敏器件。傳感器量程為0～300Kpa，測量分度達到0．1Kpa，能夠精確反映實驗過程中的壓強變化。  
    計算機數據處理軟件數據可以即時地把同一實驗數據用數字、指針或示波器三種顯示方式顯示出來，實現了實驗數據的定量顯示。  
    數字化實驗的傳感器的精度高，數字化實驗的誤差比較小，數據的定量顯示，這些就使物理、化學、生物學規律的探究發現或者探究驗證更具有嚴謹性和可信性。數字化實驗室為學生的“定量化”研究提供了研究平臺，有利于學生理解科學的本質。   
  4．數據處理“智能化” 
    4．1 “智能化”地進行實驗重演  
    每個實驗的配置、傳感器的設置都以模板文件（．exs）存儲在硬盤上，每次實驗數據都以一定的數據文件（．exd）存儲在硬盤上。軟件提供了回放功能，只要調用相應的實驗模板和數據文件，就能夠實現實驗的重演，學生可以隨意定格展示、隨意縮放數字化實驗圖線，回憶實驗情形，復習實驗過程。由于保存下來的數據和結果是以通用格式保存的，這使得數據的共享十分方便。利用計算機的網絡功能，還可以把實驗數據和結果以最快的速度進行網上發布，做到數據共享。
    4．2 “智能化”地進行數據擬合  
    軟件不但提供了對數據求平均值、求最大值、求最小值的功能，而且提供了數據擬合功能，圖線面積求法──積分運算功能，和自定義運算功能。    其中數據的自動擬合是處理數據的關鍵，也是學生課堂知識的盲區。學生能夠理解數據擬合是揭示數據之間關系、找出物理規律的必要方法，也有一次函數、二次函數、冪函數等數學知識，但缺乏把離散的數據進行擬合的數理統計的高等數學基礎。系統軟件直接給出了對給定的一系列數據進行“傻瓜式”、“菜單型”擬合操作，提供給師生一種強有力的科學工具，使學生的實驗范圍大大拓寬，實驗水平極大提高。數字化實驗為培養學生的創新能力和探索能力提供了很好的平臺。  
    擬合菜單包括直線擬合、曲線擬合兩類。曲線擬合提供乘冪擬合、指數擬合、N級反比擬合、平方倒數擬合、二次項擬合、三次項擬合、正弦擬合等。   計算機數據處理是傳統數據處理方法的改進。學生首先要進行使用傳統的紙筆，用公式法、圖象法處理數據的訓練。熟練了這種數據處理方法后，可以用通用計算機軟件進行數據處理，改進實驗數據處理方法。一般可以簡單地運用Matlab或者Excel進行曲線擬合，也可以用專用的軟件進行數據處理，形成多種解釋數據之間關系的方法。   
    4．3 “智能化”地創建實驗報告 
    軟件可以創建各種文檔，如實驗指導報告文檔、實驗預習報告文檔、數據處理結果文檔、實驗主報告文檔以及需要的文檔。WORD創建的文檔另存為RTF文件就能導入到實驗文檔中。電子文檔的優點如方便多次修訂，方便網絡共享、同伴交流學習在這里實現。   
    5．教學過程“現代化”
    5．1 教學手段現代化  
    與傳統的實驗儀器相比，傳感器更具有品種多、技術新、功能強、發展快、性能可靠等優勢。過去實驗測量器材有電流表、電壓表、彈簧秤、水銀溫度計等，現在則可用電流傳感器、電壓傳感器、力傳感器、溫度傳感器等來測量物理量。  
   數據采集器已在實際的現代生產、生活中得到了廣泛的應用。數據采集器在物理實驗的應用，使學生能提早接觸和熟悉數據采集器，適應時代要求。教師利用數字化實驗設備可以最大限度地率領學生敢于向傳統挑戰。教師可以利用數字化實驗設備創設情景，讓學生充滿對周圍事物關心的激情，促進學生創造性思維的發展。  
    5．2 教學方式現代化  
    數字化實驗提供一種現代的認知工具。認知工具是支持、指導、擴展學習者思維過程的心理或計算與實驗裝置。前者存在于學習者內部如學習者的認知、元認知策略；后者則是外部的，包括基于計算機的裝置和環境；它們都是知識建構的輔助工具。認知工具由學習者控制而不是由教師或技術控制的；認知工具用來促成學習者對所學領域進行努力思考、并達成一些在沒有工具情況下難以形成的想法。  
    學生能否適應當今知識和信息爆炸的社會，是否具備完整的信息處理能力將尤為關鍵。而以傳感器為主的數字化實驗室仍以學生的真實實驗為基礎，很好地抓住了信息處理的三個重要環節（采集、處理和表達），從而有效實現了信息技術與理科學科的整合。  
    數字化實驗室對轉變學生的學習方式、提高實踐能力、培養創新精神等方面是值得肯定的。

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